Krankheiten oder Fehlbildungen

Inversion von Genabschnitten verändert Zeitpunkt der Genexpression

Quantifikation von Kontaktpunkten innerhalb der DNA

Besonders interessierten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jedoch dafür, welche Elemente der DNA mit welchen anderen Bereichen interagieren. Dafür untersuchten sie die DNA der veränderten Mausembryonen im Bereich der wachsenden Extremitäten (Extremitätenknospen) mit der sogenannten HiC-Methode. Mit dieser Methode kann die räumliche Nähe von DNA-Fragmenten in ihrer 3-D-Struktur im Zellkern bestimmt werden - unabhängig davon, wie weit die Fragmente auf dem langgestreckten DNA-Strang auseinander liegen. Die grafische Darstellung der Kontaktpunkte erfolgt über Heat Maps (siehe Abbildung), dabei wird die Intensität beziehungsweise Anzahl der Kontakte in einer roten Farbskala angegeben. So entstehen HiC Karten des Genoms, die die Wechselwirkungen innerhalb einzelner Abschnitte des Genoms quantitativ wiedergeben. TADs erscheinen in dieser Darstellung genomweit und auch bei unterschiedlichen Tierarten und Zelltypen als Dreiecke. „Im Bereich der Bruchpunkte der DNA zeigte sich eine asymmetrische Verteilung der DNA-Kontakte“, erklärt Verena Heinrich, die die bioinformatischen Analysen durchgeführt hat. „Sie begann bei den umgedrehten CTCF-Elementen und erstreckte sich über eine bestimmte Strecke im Genom.“

Ausbildung architektonischer Streifen

Solche Elemente wurden bereits von anderen Gruppen gefunden und als architektonische Streifen (stripes) beschrieben. Das Team konnte zeigen, dass die unter den Streifen liegenden Gene im Vergleich mit nicht veränderten Mäusen aktiviert bzw. hochreguliert waren, was unter anderem durch die Ausbildung der überzähligen Finger zum Ausdruck kam. Wurden die CTCF-Elemente an dieser Stelle jedoch aus dem Genom entfernt, gingen auch die Streifen verloren. „Wir gehen davon aus, dass sich die dreidimensionale Anordnung der DNA in diesem Bereich durch die Entfernung der CTCF-Anker so verändert, dass bestimmte Kontakte, beispielsweise zwischen Enhancer und Gen, in diesem Bereich nicht mehr zustande kommen. Dadurch sinkt auch die Aktivität der betreffenden Gene. Interessanterweise führt das Entfernen der CTCF-Bindungsstelle in den genetisch veränderten Mäusen wieder zu einer normalen Entwicklung der Finger ohne Polydaktylie“, sagt Mundlos.

Nutzung von bioinformatischen Methoden

Um herauszufinden, ob architektonische Streifen auch im normalen Entwicklungsgeschehen vorkommen, untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Hi-C-Daten des gesamten Genoms mit eigens dafür entwickelten bioinformatischen Methoden. Sie konnten diese Strukturen auch in nicht genetisch veränderten Bereichen des Genoms nachweisen. Insbesondere in der Nähe der Anker wurden dabei vermehrt aktive Enhancer unter den architektonischen Streifen gefunden wurden. „Unsere Ergebnisse zeigen sehr deutlich, dass das Genom nicht nur aus den klar definierten TADs besteht, sondern dass insbesondere im Verlauf der Embryonalentwicklung auch weniger strukturierte Bereiche auftreten, die als architektonische Streifen nachgewiesen werden können“, erklärt Mundlos. „Die Streifen korrelieren mit der Position von aktiven Enhancern. Wir gehen davon aus, dass ihre Ausbildung für die Regulation bestimmter Gene von Bedeutung ist. Außerdem können Veränderungen der DNA, wie beispielsweise Inversionen, dazu führen, dass Gene zur falschen Zeit oder am falschen Ort im Organismus aktiviert werden, wodurch verschiedene Krankheiten oder Fehlbildungen entstehen können.“ (idw, red)

 

Literatur:

Katerina Kraft, Andreas Magg, Verena Heinrich, et al.: Serial genomic inversions induce tissue-specific architectural stripes, gene misexpression and congenital malformations. Nature Cell Biology 2019 Feb 11. [Epub ahead of print], DOI: doi.org/10.1038/s41556-019-0273-x.